Угловые распределения рассеяния нейтронов ядрами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

Введение.

Глава 1. Разработка и изготовление детекторов для спектрометра.

1.1. Газоразрядные нейтронные детекторы.

1.2. Батареи промышленных счетчиков.

1.3. Многоннтевые счетчики.

Глава 2. Спектрометр УГРА и его характеристики.

2.1. Конструкция спектрометра.

2.2. Основные параметры спектрометра.

2.2.1. Светосила и эффективность.

2.2.2. Разрешение и средняя энергия в канале.

2.2.3. Фон.

2.3. Учет искажающих эффектов.

2.3.1. Энергия отдачи и самоэкранировка.

2.3.2. Перерассеяние нейтронов вне образца.

2.3.3. Многократное рассеяние в образце.

2.4. Определение дифференциального сечения рассеяния.

Глава 3. Первые исследования со спектрометром.

3.1. Перспективы измерения электрической поляризуемости нейтрона.

3.2. Дублет резонансов 89У при энергии 11,59 кэВ.

3.3. Интерференционные провалы Б-резонансов 238и.

Уже почти 30 лет в ЛНФ ОИЯИ проводятся исследования угловых распределений рассеяния нейтронов ядрами при нейтронных энергиях от сотен эВ до сотен кэВ. Методика и результаты этих исследований описаны в обзорах [1],[2], там же содержится и полная библиография по этим работам.

Ценность таких исследований заключается в следующем. Будучи при указанных энергиях квадратом суммы амплитуд s- и р-рассеяния, дифференциальное сечение упругого рассеяния может быть приближенно представлено в виде о(в) = (а0 + a, cos в)2 = а^ + 2а0а, cos 9+а2 cos2 в, (1) где первый изотропный член - чисто s-рассеяние, а третий член - чисто р-рассеяние - обычно пренебрежимо мал. Таким образом, так как амплитуда а0 хорошо известна для большинства ядер, выделение второго интерференционного члена (1) по его характерной зависимости от угла рассеяния б даст однозначную информацию об амплитуде р-волны рассеяния а, при всех использованных энергиях нейтронов.

Другая особенность килоэлектронвольтных нейтронов состоит в том, что при их рассеянии на ядрах с зарядом Z > 80 должно проявляться дальнодействующее электромагнитное взаимодействие между наведенным электрическим дипольным моментом нейтрона d =апЕ и электрическим кулоновским полем ядра напряженностью Е = Ze/г2 (г -расстояние нейтрон-ядро). Сила этого взаимодействия описывается взаимной потенциальной энергией

W(r) = --dEz=-^^~, (2)

2 2г которая, в свою очередь, определяется величиной коэффициента электрической поляризуемости нейтрона ап.

Среди результатов, полученных в ЛНФ с килоэлектронвольтными нейтронами, заслуживают упоминания одна из первых попыток измерить ап, определение смесей спиновых каналов для ряда р-резонансов, систематическое измерение радиусов потенциального р-рассеяния и первое явное наблюдение спин-орбитального расщепления Зр-максимума нейтронной силовой функции путем раздельного определения её компонент и .

Нейтронный спектрометр УГРА (сокращение слов "угловые распределения") предназначен для продолжения прецизионных измерений угловой зависимости ф упругого рассеяния нейтронов ядрами в диапазоне энергий от единиц эВ до десятков кэВ. Главной целью его сооружения является возрождение на более высоком теоретическом и методическом уровне одной из первых попыток обнаружить электрическую поляризуемость нейтрона в эксперименте.

Инициированная работой [3] и реализованная в работе [4], эта попытка привела лишь к верхней оценке для коэффициента поляризуемости ап<6-10"42 см3, хотя все теоретические предсказания для нейтрона и экспериментальные значения для протона и я" - мезона сосредоточены вблизи МО"42 см3 ,тем не менее, она Ф оставалась рекордной более 20 лет.

С конца 80-ых годов начала активно эксплуатироваться идея об извлечении ап из полного нейтронного сечения ^ на изотопе РЬ, которое имеет вклад от поляризуемости —0,13 аа4Ё мб (а„ в единицах Ю^см3, энергия нейтронов Е в эВ). В этих работах ошибка вышла на уровень Дап =(1 + 2) -10 см , но дальше прогресс застопорился.

В наших работах [5,6] на примере анализа результатов работы [7] продемонстрированы некоторые трудности и возможные ошибки на пути решения поставленной задачи. Главная проблема - точно учесть вклад в с^ резонансов, что априори сделать невозможно из-за неполноты данных о них (в особенности об отрицательном резонансе при энергии -1,9МэВ). Поэтому в подходе, примененном в [5], вводится дополнительный неизвестный параметр И, определяющий добавку к радиусу потенциального рассеяния Е0, т.е. /? + НЕ. В подходе [7] это тем более проблематично, ибо там потребуется выделять еще один член сечения ~Е неизвестной величины.

В этой ситуации было принято решение о создании в ЛНФ спектрометра четвертого поколения (работа [4] выполнялась на спектрометре второго поколения, а работа на новой установке базируется на опыте работы на установке третьего поколения [8]). О теоретической базе и математическом моделировании нового эксперимента по определению поляризуемости нейтрона было рассказано в лекции [9].

Ранее использовалась аппаратура трех поколений. Вначале это была батарея ВБз -пропорциональных счетчиков с общим рабочим объемом ~ 1,5 л, которая помещалась в подвижной защите из парафина с В4С с окном-каналом в направлении на рассеиватель и регистрировала рассеяние на углы от 45° до 135°. Затем была построена установка, состоявшая из девяти неподвижных батарей борных счетчиков объемом ~4,6 л каждая. Каналы в защите детекторов позволяли регистрировать одновременно нейтроны, рассеянные на 9 углов от 30° до 150°. Установка третьего поколения представляла собой один подвижный детектор в массивной защите, состоявший из 50 счетчиков, заполненных 3Не до давления 7-10 атмосфер и имевших суммарный рабочий объем около 8 л.

Описываемый ниже спектрометр сочетает в себе все положительные стороны предыдущих спектрометров. Первый из них был весьма малосветосильным. Второй был во много раз светосильнее, но возникла проблема разброса спектральной чувствительности у разных детекторов. Третий спектрометр снял эту проблему и оставил возможность дальнейшего увеличения светосилы за счет увеличения числа подвижных детекторов, регистрирующих каждый "свое" угловое распределение. Эта возможность и реализована в установке УГРА, где, кроме того, существенно уменьшен фон, ибо падающие на мишень и рассеянные нейтроны пробегают свой путь в вакууме. Одновременно, по крайней мере, на порядок, уменьшается эффект перерассеяния нейтронов, т.е. тех нейтронов, которые, рассеявшись мишенью не в детектор, попадают в него из-за последующего рассеяния на окружающих мишень веществах.

В первой главе диссертации дается обзор газоразрядных методов регистрации нейтронов и описываются детекторы спектрометра УГРА.

Вторая глава диссертации посвящена описанию устройства и исследований всех характеристик установки как работающего прибора для измерения дифференциальных сечений рассеяния.

В третьей главе диссертации описаны первые физические исследования со спектрометром: перспективы измерения поляризуемости нейтрона, изучение дублета

ЙП е- и р-резонансов в ядре У и измерения сечений рассеяния нейтронов вблизи первых в-резонансов 238и.

В заключении дается перечень основных результатов, описанных в диссертации, а также перспективы дальнейших научных исследований на спектрометре УГРА.

Основные результаты этой работы, выносимые на защиту, можно сформулировать так:

1.Запущен в эксплуатацию спектрометр рассеянных килоэлектронвольтных нейтронов четвертого поколения УГРА на 250-метровой пролетной базе бустера ИБР-30.

2.В результате серии разнообразных измерений определены основные параметры спектрометра: светосила, эффективность детекторов, разрешение, средняя энергия в канале, фон.

3.Разработана методика внесения поправок на искажения угловых распределений в исследуемом образце (сброс энергии на ядро отдачи, самоэкранировка, многократное рассеяние) и в окружающем образец пространстве (перерассеяние в детектор после рассеяния в образце).

Проанализированы ошибки и продемонстрированы трудности метода определения электрической поляризуемости нейтрона а„ из полного нейтронного сечения сг( для 208РЬ. Определены перспективы измерения а„ на спектрометре УГРА. од

5.Из сравнения площадей дублета резонансов У при энергии 11,59 кэВ, измеренных при пяти углах рассеяния, установлено, что с большой вероятностью один из них- е-,а другой р-резонанс со спинами 0 и 1, соответственно.

6.Впервые измерены сечения рассеяния нейтронов ядрами 238и в окрестностях интерференционных провалов у трех низкоэнергетических е-волновых резонансов. Полученные сечения неплохо совпадают с расчетными из файла ШИБЬ-З.

Практически все эти результаты докладывались на Международном семинаре по взаимодействию нейтронов с ядрами 151КМ-3, -4, -5, -б, -8 в 1995-2000 годах.

Перспективы дальнейших исследований на спектрометре УГРА связаны с новым сооружаемым источником нейтронов ИРЕН, который даже без переделки каких-либо узлов спектрометра позволит получить существенно лучшее энергетическое разрешение установки. Тогда в план новых исследований, кроме измерения поляризуемости нейтрона, могут войти:

- определение смесей спиновых каналов в р-резонансах, в первую очередь для ядер со спином Vz. [28,34]

- поиск и определение смесей s- и d-волн в резонансах [41] поиск влияния теплового движения атомов в кристалле на анизотропию рассеяния нейтронов в низкоэнергетических s-резонансах [42] и возможно, некоторые другие.

В заключение автор выражает сердечную благодарность научному руководителю Г.С.Самосвату за многолетнюю помощь и поддержку, за переданные знания и обучение навыкам работы в научной среде, В.И. Фурману за содействие в изготовлении камеры УГРА в ОП ОИЯИ, A.B. Стрелкову за обсуждение и поиск решений вопросов детекторостроения, конструкторам установки Б.И.Воронову и А.А.Смирнову, работникам ЦОЭП В.М.Крылову, Н.Ф.Сурминову и Е.А.Баскову за монтаж установки, сотрудникам МТО В.Ф.Филимонову, А.В.Русакову и

A.Н.Кузнецову за обеспечение вакуумных работ, сотрудникам ЭТО В.А.Трепалину и

B.Н.Ерофееву за электротехническое обеспечение, В.А.Ермакову за оборудование спектрометра электроникой, Д.И.Ляпину и Е.И.Литвиненко за программное обеспечение, а также всему коллективу эксплуатации ИБР-30 во главе с

C.А.Квасниковым.

Заключение.

1. Самосват Г.С. Анизотропия упругого рассеяния нейтронов и свойства ядер. Физика элементарных частиц и атомного ядра, 1986, т.17,вып.4, с.713-752.

2. Самосват Г.С. Исследования р-волнового рассеяния нейтронов ядрами. Физика элементарных частиц и атомного ядра, 1995, т.26,вып.6, с. 1567-1596.

3. Thaler R.M. Phys.Rev., 1959, v. 114, р.827.

4. Александров Ю.А., Самосват Г.С., Сэрээтэр., Цой Ген Сор. Письма в ЖЭТФ, 1966, т.4, с.196.

5. Enik T.L., Mitsyna L.V., Nikolenko V.G., Popov A.B., Samosvat G.S., Prokofievs P., Murzin A.V., Washkowsky W. Precise measurements of alot for 208Pb. ISINN-3, JINR E3-95-307,p.238-242, Dubna, 1995.

6. Schmiedmayer J., Riehs P., Harvey J.A., Hill N.W. Phys.Rev.Lett., 1991, v.66, p.1015.

7. Вагов B.A., Ермаков B.A., Зимин Г.Н. и др. Сообщение ОИЯИ РЗ-82-770, Дубна, 1982.

8. Александров Ю.А., Самосват Г.С. VI Междунар.школа по нейтр.физике, Алушта, 1990, ДЗ 14-91-154, Дубна, 1991, с.187.

9. В.Н.Швецов.VII школа по нейтронной физике. Сборник лекций.т.1.Дубна, 1995, с.120-129.

10. Белоусов А.С. Счетчики элементарных частиц. Наука, Москва, 1972.

11. Boyarski A., Brigs D., Burchat P.R., Nucl.Ins.Meth. vol.A323(1992), pp.167-272.1316,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,

12. Власов Н.А. Нейтроны. Наука, Москва, 1971.

13. Гангрский Ю.П., Марков Б.Н., Перелыгин В.П. Регистрация и спектрометрия осколков деления. Москва, Энергоатомиздат, 1992.

14. Люк K.JI. Юан, By Цзян-сюн. Методы измерения основных величин ядерной физики. МИР, Москва, 1964.

15. Видякин Г.С., Выродов В.Н. и др. ПТЭ, 1989, №4, с.70.

16. Заневский Ю.В. Проволочные детекторы эл. частиц. Атомиздат, Москва, 1978. Takeda N. Kudo К. IEEE Transaction on Nucl.Science, 1995, v.42, №4, p.548. Еник T.JI. Дипломная работа, МИФИ, Москва, 1993.

17. Enik T.L., Khaijuzov R.V., Mitsyna L.V., Nikolenko V.G., Popov A.B., Samosvat1. SO

18. G.S. Anomalous neutron scattering on the resonance doublet 11.59 keV in Y. ISINN-6, JINR E3-98-202, p. 186-193, Dubna, 1998.27,28,2930,31,32,33,34,35,36,37.38,39,40,41,42,

19. Blatt J.M., Biedenharn L.C. Rev.Mod.Phys., 1952, v.24, p.258. Николенко В.Г., Самосват Г.С. ЯФ, 1976, т23, с.1159.

20. Morgenstern J., Alves R.N., Julien J., Samour С. Nucl.Phys., 1969, v.A123, p.561. Boldeman J.W., Allen B.J., A.R. de L.Musgrove, Macklin R.L. Nucl. Sei. Eng., 1977, v.64, p.744.

21. Agraval H.M., Garg J.B., Harvey J.A. Nucl.Phys., 1989, v.A501, p.18.

22. Devons S., Goldfarb L.J.B. In: Handbuch der Physik, Band XLII, Springer-Verlag,1957.

23. Попов А.Б., Самосват Г.С. Краткие сообщения ОИЯИ, №18-86, с.30, Дубна, 1986.

24. Olsen D.K,, de Saussure G„ Perez R.B., Silver E.G., Difilippo F.C., Ingle R.W., Weaver H. Nucl. Sei. Eng., 1997, v.62, p.479.

25. Staveloz P., Poortmans F., Mewissen L.Cornelis E. Nucl. Sei. Eng., 1978, v.66, p.349. Asghar M., Chaffey C.M., Moxon M.C. Nucl. Phys., 1966, v.85, p.305 Александров Ю.А. ОИЯИ 3-3442, Дубна, 1967, c.l 12.

26. Mitsyna L.V., Popov A.B., Samosvat G.S. Письма в ЖЭТФ, 1999, т.77, с.171 (JETP Let., 1999, v.70, p.165).

27. Мицына Л.В., Самосват Г.С. Сообщение ОИЯИ P3-90-234, Дубна,1990. Лукьянов A.A. Частное сообщение.